DE102021131717A1 - Halbleiterstruktur - Google Patents

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Jinghao Chen
Zhigang Duan
Kuei-ti Chan
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MediaTek Singapore Pte Ltd
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Abstract

Eine Halbleiterstruktur weist Folgendes auf: ein Substrat; einen ersten und einen zweiten Halbleiter-Die; und eine mehrpolige Kondensatorstruktur. Das Substrat weist eine Verdrahtungsstruktur auf. Über dem Substrat sind der erste und der zweite Halbleiter-Die angeordnet. In das Substrat ist die mehrpolige Kondensatorstruktur eingebettet. Die mehrpolige Kondensatorstruktur weist einen ersten positiven Anschluss und einen ersten Erdanschluss auf, die über die Verdrahtungsstruktur mit dem ersten Halbleiter-Die elektrisch verbunden sind. Die mehrpolige Kondensatorstruktur weist außerdem einen zweiten positiven Anschluss und einen zweiten Erdanschluss auf, die über die Verdrahtungsstruktur mit dem zweiten Halbleiter-Die elektrisch verbunden sind.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 6. Januar 2021 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 63/134.235, die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Halbleitertechnologie und insbesondere eine Halbleiterstruktur mit einem Kondensator.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Da integrierte Hochleistungsschaltkreise größere Ströme mit höheren Frequenzen bei niedrigeren Versorgungsspannungen erfordern, wird das Entwerfen von Energiesystemen immer anspruchsvoller. Entkopplungskondensatoren können verwendet werden, um als temporäre Ladungsreservoirs zur Vermeidung von kurzzeitigen Schwankungen der Versorgungsspannung zu fungieren. Die Entkopplungskondensatoren spielen eine immer wichtigere Rolle beim Reduzieren des Stromrauschens während des Betriebs einer digitalen Schaltung, wie etwa eines Mikroprozessors, mit zahlreichen Transistoren, die zwischen Ein- und Ausschaltzuständen wechseln.
  • Zwar sind bestehende Halbleiterstrukturen bisher im Großen und Ganzen geeignet gewesen, aber sie sind noch nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend. Zum Beispiel ist es schwierig, Entkopplungskondensatoren zu integrieren, da mehrere Kondensatoren für unterschiedliche Stromdomänen von unterschiedlichen Halbleiterkomponenten verwendet werden müssen. Zum Beispiel kann für einen Hauptprozessor (CPU) nur ein Entkopplungskondensator erforderlich sein, während für einen Hochleistungs-SoC-Die (SoC: System-on-Chip) 5 bis 10 Entkopplungskondensatoren benötigt werden können. Daher müssen Halbleiterstrukturen weiter verbessert werden, um eine Entwurfsflexibilität bereitzustellen.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Es werden Halbleiterstrukturen bereitgestellt. Eine beispielhafte Ausführungsform einer Halbleiterstruktur weist Folgendes auf: ein Substrat; einen ersten Halbleiter-Die und einen zweiten Halbleiter-Die; und eine mehrpolige Kondensatorstruktur. Das Substrat weist eine Verdrahtungsstruktur auf. Über dem Substrat sind der erste und der zweite Halbleiter-Die angeordnet. In das Substrat ist die mehrpolige Kondensatorstruktur eingebettet. Die mehrpolige Kondensatorstruktur weist einen ersten positiven Anschluss und einen ersten Erdanschluss auf, die über die Verdrahtungsstruktur mit dem ersten Halbleiter-Die elektrisch verbunden sind. Die mehrpolige Kondensatorstruktur weist außerdem einen zweiten positiven Anschluss und einen zweiten Erdanschluss auf, die über die Verdrahtungsstruktur mit dem zweiten Halbleiter-Die elektrisch verbunden sind.
  • Eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Halbleiterstruktur weist Folgendes auf: ein Substrat; eine Packagestruktur; und eine mehrpolige Kondensatorstruktur. Die Packagestruktur ist über dem Substrat angeordnet und weist einen ersten Halbleiter-Die mit einer ersten Stromdomäne und einen zweiten Halbleiter-Die mit einer zweiten Stromdomäne auf. Die erste und die zweite Stromdomäne sind voneinander verschieden. Die mehrpolige Kondensatorstruktur ist in das Substrat eingebettet und weist einen ersten mehrpoligen Kondensator und einen zweiten mehrpoligen Kondensator auf. Der erste mehrpolige Kondensator weist einen ersten positiven Anschluss und einen ersten Erdanschluss auf, die mit der ersten Stromdomäne elektrisch verbunden sind. Der zweite mehrpolige Kondensator weist einen zweiten positiven Anschluss und einen zweiten Erdanschluss auf, die mit der zweiten Stromdomäne elektrisch verbunden sind.
  • In den folgenden Ausführungsformen erfolgt eine detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung lässt sich durch Lesen der nachstehenden detaillierten Beschreibung und Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstehen.
    • 1 ist eine Schnittansicht einer beispielhaften Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2 ist eine Schnittansicht einer beispielhaften Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 3 ist eine Schnittansicht einer beispielhaften Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
    • Die 4A und 4B sind Draufsichten einer mehrpoligen Kondensatorstruktur einer beispielhaften Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
    • Die 5A, 5B und 5C sind konzeptionelle Darstellungen von Anschlüssen einer mehrpoligen Kondensatorstruktur einer beispielhaften Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 6 ist eine Schnittansicht einer mehrpoligen Kondensatorstruktur einer beispielhaften Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die nachstehende Beschreibung ist der beste Modus, der zum Ausführen der Erfindung in Betracht gezogen wird. Diese Beschreibung soll die allgemeinen Grundsätze der Erfindung erläutern und darf nicht in einem beschränkenden Sinn aufgefasst werden. Der Schutzumfang der Erfindung wird von den beigefügten Ansprüchen bestimmt.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand spezieller Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf bestimmte Zeichnungen beschrieben, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern sie wird nur durch die Ansprüche beschränkt. Die Zeichnungen sind nur schematisch und nicht beschränkend. In den Zeichnungen können einige Elemente zur Erläuterung vergrößert sein und nicht maßstabsgerecht gezeichnet sein. Die Abmessungen und die relativen Abmessungen entsprechen nicht den tatsächlichen Abmessungen bei der Nutzung der Erfindung.
  • Es wird eine Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Halbleiterstruktur weist eine mehrpolige Kondensatorstruktur auf, die eine Mehrzahl von Anschlüssen zum elektrischen Verbinden mit unterschiedlichen Stromdomänen aufweist, sodass die belegte Fläche reduziert werden kann und die Entwurfsflexibilität erhöht werden kann. Außerdem ist die mehrpolige Kondensatorstruktur in ein Substrat eingebettet, sodass die belegte Fläche weiter reduziert werden kann.
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Halbleiterstruktur 100 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. In der Halbleiterstruktur 100 können weitere Elemente verwendet werden. Einige der nachstehend beschriebenen Elemente können bei anderen Ausführungsformen ersetzt oder weggelassen werden. Um die Darstellung zu vereinfachen, ist nur ein Teil der Halbleiterstruktur 100 dargestellt.
  • Wie in 1 gezeigt ist, weist die Halbleiterstruktur 100 bei einigen Ausführungsformen ein Substrat 102 auf. Das Substrat 102 kann eine Verdrahtungsstruktur enthalten. Bei einigen Ausführungsformen weist die Verdrahtungsstruktur in dem Substrat 102 leitfähige Schichten, leitfähige Durchkontaktierungen, leitfähige Säulen oder dergleichen oder eine Kombination davon auf. Die Verdrahtungsstruktur in dem Substrat 102 kann aus einem Metall wie Kupfer, Wolfram oder dergleichen oder einer Kombination davon hergestellt werden.
  • Die Verdrahtungsstruktur in dem Substrat 102 kann in Zwischenmetall-Dielektrikumschichten (IMD-Schichten) angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen werden die IMD-Schichten aus organischen Materialien wie einem polymerbasierten Material, aus anorganischen Materialien wie Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxidnitrid oder dergleichen oder einer Kombination davon hergestellt. Das Substrat 102 kann eine erste Seite und eine zweite Seite haben, die der ersten Seite gegenüberliegt. Es ist zu beachten, dass die in den Figuren gezeigte Konfiguration des Substrats 102 nur beispielhaft ist und die vorliegende Erfindung nicht beschränken soll. In oder auf dem Substrat 102 kann jedes gewünschte Halbleiterelement hergestellt werden. Um die Darstellung zu vereinfachen, ist jedoch nur das ebene Substrat 102 dargestellt.
  • Wie in 1 gezeigt ist, weist bei einigen Ausführungsformen die Halbleiterstruktur 100 eine Mehrzahl von leitfähigen Strukturen 104 auf. Die leitfähigen Strukturen 104 können auf der ersten Seite des Substrats 102 angeordnet sein und können mit der Verdrahtungsstruktur des Substrats 102 elektrisch verbunden sein. Bei einigen Ausführungsformen sind die leitfähigen Strukturen 104 aus einem Metall wie Kupfer, Wolfram oder dergleichen oder einer Kombination davon hergestellt. Die leitfähigen Strukturen 104 können Mikrobumps, C4-Kontakthügel (C4: Chipverbindung mit kontrolliertem Kollaps), BGA-Kugeln (BGA: Ball Grid Array) oder dergleichen oder eine Kombination davon sein.
  • Die Halbleiterstruktur 100 weist bei einigen Ausführungsformen eine Packagestruktur 110 mit einem ersten Halbleiter-Die 110a, einem zweiten Halbleiter-Die 110b und einem dritten Halbleiter-Die 110c auf. Die Packagestruktur 110 kann auf der zweiten Seite des Substrats 102 angeordnet sein. Der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c können mit der Verdrahtungsstruktur des Substrats 102 elektrisch verbunden sein.
  • Wie gezeigt ist, sind der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c zwar in einer einzigen Packagestruktur angeordnet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c können zum Beispiel in unterschiedlichen Packagestrukturen angeordnet sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen sind der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c jeweils einzeln ein SoC-Die, ein Logik-Die, ein Speicher-Die, eine Hochfrequenz-Vorrichtung oder dergleichen oder eine Kombination davon. Zum Beispiel können der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c jeweils einzeln ein MCU-Die (MCU: Mikrosteuerungseinheit), ein MPU-Die (MPU: Mikroprozessor-Einheit), ein integrierter Power-Management-Schaltkreis (PMIC), eine GPS-Vorrichtung (GPS: globales Positionsbestimmungssystem), ein APU-Die (APU: beschleunigte Verarbeitungseinheit), ein CPU-Die (CPU: Hauptprozessor), ein GPU-Die (GPU: Grafikprozessor), ein E/A-Die (Eingabe/Ausgabe), ein DRAM-Controller (DRAM: dynamischer Direktzugriffsspeicher), ein SRAM (statischer Direktzugriffsspeicher), ein Speicher mit hoher Bandbreite (HBM) oder dergleichen oder eine Kombination davon sein.
  • Bei einigen weiteren Ausführungsformen können der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c unterschiedliche funktionelle Schaltungen oder unterschiedliche Kerne in einem Die sein, die unterschiedliche Stromdomänen verwenden können.
  • Der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c können unterschiedliche Stromdomänen haben. Die Halbleiterstruktur 100 weist bei einigen Ausführungsformen einen ersten Kondensator 106a, einen zweiten Kondensator 106b und einen dritten Kondensator 106c für den Halbleiter-Die 110a, 110b bzw. 110c auf, um den ohmschen Spannungsabfall des Systems zu reduzieren.
  • Die Halbleiterstruktur 100 weist bei einigen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Interconnects 108 auf, die den ersten Kondensator 106a mit dem ersten Halbleiter-Die 110a, den zweiten Kondensator 106b mit dem zweiten Halbleiter-Die 110b und den dritten Kondensator 106c mit dem dritten Halbleiter-Die 110c elektrisch verbinden. Die Interconnects 108 können Kontakthügelstrukturen, die Verdrahtungsstruktur des Substrats 102 oder andere geeignete Interconnects sein.
  • Der erste Kondensator 106a, der zweite Kondensator 106b und der dritte Kondensator 106c nehmen jeweils Platz ein. Wie in 1 gezeigt ist, können der erste Kondensator 106a und der dritte Kondensator 106c auf der Die-Seite angeordnet sein, und der zweite Kondensator 106b kann auf der Lötaugenseite angeordnet sein. Die Die-seitigen Kondensatoren (DSCs) 106a und 106c können die Dicke der Halbleiterstruktur 100 vergrößern und können Fläche einnehmen, die andernfalls für aktive Schaltungen verwendet werden könnte. Der Lötaugen-seitige Kondensator (LSC) 106b kann Fläche der leitfähigen Strukturen 104 einnehmen. Dadurch entstehen Schwierigkeiten beim Integrieren von unterschiedlichen Kondensatoren für unterschiedliche Halbleiterkomponenten, wenn der Bedarf an weiteren Funktionen und kleineren Vorrichtungen steigt. Daher wird in der vorliegenden Erfindung eine weitere Ausführungsform zum Lösen des vorgenannten Problems bereitgestellt.
  • 2 ist eine Schnittansicht einer Halbleiterstruktur 200 gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der Erfindung. Es ist zu beachten, dass die Halbleiterstruktur 200 dieselben oder ähnliche Komponenten wie die in 1 gezeigte Halbleiterstruktur 100 aufweisen kann, und der Einfachheit halber werden diese Komponenten nicht nochmals näher erörtert. Im Vergleich zu der Ausführungsform von 1, bei der die Halbleiterstruktur 100 eine Mehrzahl von Kondensatoren aufweist, die auf der Die-Seite und/oder der Lötaugenseite angeordnet sind, werden bei den folgenden Ausführungsformen diese Kondensatoren durch eine mehrpolige Kondensatorstruktur in einem Substrat ersetzt, um den belegten Platz zu reduzieren.
  • Wie in 2 gezeigt ist, weist die Halbleiterstruktur 200 bei einigen Ausführungsformen eine mehrpolige Kondensatorstruktur 206 auf. Die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 kann ein SoC-Kondensator, ein Siliziumkondensator oder ein anderer geeigneter Kondensator sein. Die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 kann positive Anschlüsse und Erdanschlüsse für den ersten Halbleiter-Die 110a, den zweiten Halbleiter-Die 110b und den dritten Halbleiter-Die 110c aufweisen. Die Halbleiterstruktur 200 weist bei einigen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Interconnects 108 auf, die den ersten Halbleiter-Die 110a, den zweiten Halbleiter-Die 110b und den dritten Halbleiter-Die 110c mit der mehrpoligen Kondensatorstruktur 206 elektrisch verbinden.
  • Eine einzige mehrpolige Kondensatorstruktur 206 kann von unterschiedlichen Stromdomänen für Halbleiter-Dies gemeinsam genutzt werden. Somit ist es nicht erforderlich, getrennte Kondensatoren für jeden einzelnen Spannungsentwurf zu verwenden. Und da die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 in das Substrat 102 eingebettet ist, können die eingenommene Fläche und die Höhe der Halbleiterstruktur 200 reduziert werden und mehr leitfähige Strukturen 104 können bestehen bleiben. Dadurch kann eine Entwurfsflexibilität bereitgestellt werden.
  • Wie in 2 gezeigt ist kann die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 die Packagestruktur 110 in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Seite des Substrats 102 ist, teilweise überdecken. Obwohl in 2 gezeigt ist, dass drei Halbleiter-Dies (der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c) eine einzige mehrpolige Kondensatorstruktur 206 gemeinsam nutzen, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel ist es möglich, dass nur zwei Halbleiter-Dies die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 gemeinsam nutzen. Alternativ können zwei oder mehr mehrpolige Kondensatorstrukturen für eine Mehrzahl von Halbleiter-Dies verwendet werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist die Halbleiterstruktur 200 außerdem eine oder mehrere passive Komponenten (nicht dargestellt) auf, wie etwa Widerstände, Kondensatoren, Induktoren oder dergleichen oder eine Kombination davon. Die passiven Komponenten können zum Beispiel in der Packagestruktur 110 enthalten sein und/oder auf der ersten Seite des Substrats 102 angeordnet sein.
  • 3 ist eine Schnittansicht einer Halbleiterstruktur 300 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. Es ist zu beachten, dass die Halbleiterstruktur 300 dieselben oder ähnliche Komponenten wie die in 2 gezeigte Halbleiterstruktur 200 aufweisen kann, und der Einfachheit halber werden diese Komponenten nicht nochmals näher erörtert. In den folgenden Ausführungsformen wird ein Substrat mit einer darin eingebetteten mehrpoligen Kondensatorstruktur näher beschrieben.
  • Wie in 3 gezeigt ist, weist die Halbleiterstruktur 300 bei einigen Ausführungsformen eine gedruckte Leiterplatte (PCB) 302 und ein Substrat 102 auf, das über der PCB 302 angeordnet ist. Die PCB 302 kann eine Verdrahtungsstruktur enthalten, die leitfähige Schichten, leitfähige Durchkontaktierungen, leitfähige Säulen oder dergleichen oder eine Kombination davon aufweisen kann. Die Verdrahtungsstruktur in der PCB 302 kann aus einem Metall wie Kupfer, Wolfram oder dergleichen oder einer Kombination davon hergestellt werden.
  • Die Verdrahtungsstruktur in der PCB 302 kann in IMD-Schichten angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen werden die IMD-Schichten aus organischen Materialien wie einem polymerbasierten Material, aus anorganischen Materialien wie Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxidnitrid oder dergleichen oder einer Kombination davon hergestellt. In und auf der PCB 302 kann jedes gewünschte Halbleiterelement hergestellt werden. Um die Darstellung zu vereinfachen, ist jedoch nur die ebene PCB 302 dargestellt.
  • Die Verdrahtungsstruktur in dem Substrat 102 kann über eine Mehrzahl von leitfähigen Strukturen 104 mit der Verdrahtungsstruktur in der PCB 302 elektrisch verbunden werden. Die Verdrahtungsstruktur in dem Substrat 102 kann leitfähige Schichten, leitfähige Durchkontaktierungen, leitfähige Säulen oder dergleichen oder eine Kombination davon aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen weist die Verdrahtungsstruktur in dem Substrat 102 eine erste leitfähige Schicht 305 und eine zweite leitfähige Schicht 307 auf, und eine Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen 306 verbindet die leitfähigen Strukturen 104 elektrisch mit der ersten leitfähigen Schicht 305 und verbindet die erste leitfähige Schicht 305 elektrisch mit der zweiten leitfähigen Schicht 307.
  • Wie in 3 gezeigt ist, weist bei einigen Ausführungsformen die Halbleiterstruktur 300 eine mehrpolige Kondensatorstruktur 206 auf, die in dem Substrat 102 angeordnet ist. Die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 kann im Wesentlichen zu der ersten leitfähigen Schicht 305 ausgerichtet sein. Die zweite leitfähige Schicht 307 kann sich über der mehrpoligen Kondensatorstruktur 206 und der ersten leitfähigen Schicht 305 erstrecken. Die zweite leitfähige Schicht 307 kann über die leitfähigen Durchkontaktierungen 306 mit der mehrpoligen Kondensatorstruktur 206 elektrisch verbunden werden. Die Verdrahtungsstruktur in dem Substrat 102 kann ebenfalls einige leitfähige Schichten (nicht dargestellt) aufweisen, die sich unter der mehrpoligen Kondensatorstruktur 206 und der ersten leitfähigen Schicht 305 erstrecken.
  • Bei einigen Ausführungsformen enthält das Substrat 102 einen isolierenden Kern (nicht dargestellt), wie etwa einen glasfaserverstärktes Harzkern, um ein Durchbiegen des Substrats 102 zu vermeiden. Bei den Ausführungsformen, bei denen das Substrat 102 einen Kern enthält, kann die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 in dem Kern des Substrats 102 angeordnet werden. Alternativ kann die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 über dem Kern angeordnet werden und im Wesentlichen zu einer der leitfähigen Schichten ausgerichtet werden.
  • Wie in 3 gezeigt ist, sind bei einigen Ausführungsformen die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 und die Verdrahtungsstruktur des Substrats 102 in IMD-Schichten 304 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen werden die IMD-Schichten 304 aus organischen Materialien wie einem polymerbasierten Material, aus anorganischen Materialien wie Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxidnitrid oder dergleichen oder einer Kombination davon hergestellt.
  • Wie in 3 gezeigt ist, weist die Halbleiterstruktur 300 bei einigen Ausführungsformen eine Packagestruktur 310 auf, die über dem Substrat 102 angeordnet ist. Die Packagestruktur 310 kann der in 2 gezeigten Packagestruktur 110 ähnlich sein, und sie wird daher nicht nochmals beschrieben. Die Packagestruktur 310 kann die mehrpolige Kondensatorstruktur 206, die zweite leitfähige Schicht 307 und die leitfähigen Durchkontaktierungen 306 in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Seite des Substrats 102 ist, teilweise überdecken.
  • Wie in 3 gezeigt ist, weist die Halbleiterstruktur 300 bei einigen Ausführungsformen eine Mehrzahl von leitfähigen Strukturen 308 auf, die zwischen der Packagestruktur 310 und dem Substrat 102 angeordnet sind. Die leitfähigen Strukturen 308 können die Packagestruktur 310 mit der Verdrahtungsstruktur des Substrats 102 elektrisch verbinden. Bei einigen Ausführungsformen werden die leitfähigen Strukturen 308 aus einem Metall wie Kupfer, Wolfram oder dergleichen oder eine Kombination davon hergestellt. Die leitfähigen Strukturen 308 können Mikrobumps, C4-Kontakthügel, BGA-Kugeln oder dergleichen oder eine Kombination davon sein.
  • Wie in 3 gezeigt ist, weist die Halbleiterstruktur 300 bei einigen Ausführungsformen einen ersten Halbleiter-Die 110a, einen zweiten Halbleiter-Die 110b und einen dritten Halbleiter-Die 110c in der Packagestruktur 310 auf. Der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c können dem ersten Halbleiter-Die 110a, dem zweiten Halbleiter-Die 110b bzw. dem dritten Halbleiter-Die 110c ähnlich sein, die in 2 gezeigt sind, und sie werden nicht nochmals beschrieben. Bei einigen Ausführungsformen weist die Packagestruktur 310 außerdem eine oder mehrere passive Komponenten (nicht dargestellt) auf, wie etwa Widerstände, Kondensatoren, Induktoren oder dergleichen oder eine Kombination davon.
  • Der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c können über die leitfähigen Strukturen 308 mit der Verdrahtungsstruktur des Substrats elektrisch verbunden werden und können über die Verdrahtungsstruktur des Substrats 102 und die leitfähigen Strukturen 308 mit der mehrpoligen Kondensatorstruktur 206 elektrisch verbunden werden. Insbesondere können der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c über die zweite leitfähige Schicht 307, die leitfähigen Durchkontaktierungen 306 und die leitfähigen Strukturen 308 mit der mehrpoligen Kondensatorstruktur 206 elektrisch verbunden werden.
  • Die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 kann positive Anschlüsse und Erdanschlüsse für den ersten Halbleiter-Die 110a, den zweiten Halbleiter-Die 110b und den dritten Halbleiter-Die 110c aufweisen, um den Ersatzserienwiderstand (ESR) und die Ersatzserieninduktivität (ESL) zu reduzieren, um den ohmschen Spannungsabfall des Systems zu verringern. die mehrpoligen Kondensatoren für den ersten Halbleiter-Die 110a, den zweiten Halbleiter-Die 110b und den dritten Halbleiter-Die 110c können jeweils einen der positiven Anschlüsse und einen der Erdanschlüsse aufweisen.
  • Der erste Halbleiter-Die 110a kann mit einem ersten positiven Anschluss V1 und einem ersten Erdanschluss G1 elektrisch verbunden werden. Der zweite Halbleiter-Die 110b kann mit einem zweiten positiven Anschluss V2 und einem zweiten Erdanschluss G2 elektrisch verbunden werden. Der dritte Halbleiter-Die 110c kann mit einem dritten positiven Anschluss V3 und einem dritten Erdanschluss G3 elektrisch verbunden werden.
  • Wie in 3 gezeigt ist, sind ist der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c in einer Zeile angeordnet, was nur zur Erläuterung gezeigt ist. Der erste Halbleiter-Die 110a, der zweite Halbleiter-Die 110b und der dritte Halbleiter-Die 110c können zum Beispiel auch vertikal aufeinandergestapelt werden. In ähnlicher Weise sind der erste positive Anschluss Vi, der erste Erdanschluss G1, der zweite positive Anschluss V2, der zweite Erdanschluss G2, der dritte positive Anschluss V3 und der dritte Erdanschluss G3, die in einer Zeile angeordnet sind, nur zur Erläuterung gezeigt. In den folgenden Absätzen werden einige beispielhafte Konfigurationen beschrieben.
  • 4A ist eine Draufsicht einer mehrpoligen Kondensatorstruktur 400a gemäß einigen Ausführungsformen. Es ist zu beachten, dass die mehrpolige Kondensatorstruktur 400a dieselben oder ähnliche Komponenten wie die in 3 gezeigte mehrpolige Kondensatorstruktur 206 aufweisen kann, und der Einfachheit halber werden diese Komponenten nicht nochmals näher erörtert.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist ein erster mehrpoliger Kondensator 401 einen ersten positiven Anschluss V1 und einen ersten Erdanschluss G1 auf, ein zweiter mehrpoliger Kondensator 402 weist einen zweiten positiven Anschluss V2 und einen zweiten Erdanschluss G2 auf, und ein dritter mehrpoliger Kondensator 403 weist einen dritten positiven Anschluss V3 und einen dritten Erdanschluss G3 auf. Die mehrpolige Kondensatorstruktur 206 kann auch einige weitere Anschlüsse aufweisen, die nur zur Erläuterung gezeigt sind. Zwei benachbarte mehrpolige Kondensatoren 401, 402,403 und deren Anschlüsse können nebeneinander angeordnet sein.
  • Wie in 4A gezeigt ist, können der erste positive Anschluss Vi, der zweite Erdanschluss G2 und der dritte positive Anschluss V3 entlang einer ersten Linie angeordnet sein, und der erste Erdanschluss G1, der zweite positive Anschluss V2 und der dritte Erdanschluss G3 können entlang einer zweiten Linie angeordnet sein. Die erste Linie kann im Wesentlichen parallel zu der zweiten Linie sein.
  • Eine konzeptionelle Darstellung von sechs der Anschlüsse der mehrpoligen Kondensatorstruktur 400a gemäß einigen Ausführungsformen ist in 5A gezeigt. Der erste positive Anschluss Vi, der zweite positive Anschluss V2 und der dritte positive Anschluss V3 können elektrisch gegeneinander isoliert sein. Der erste Erdanschluss G1, der zweite Erdanschluss G2 und der dritte Erdanschluss G3 können ebenfalls elektrisch gegeneinander isoliert sein. Insbesondere können der erste mehrpolige Kondensator 401, der zweite mehrpolige Kondensator 402 und der dritte mehrpolige Kondensator 403 elektrisch gegeneinander isoliert sein.
  • 4B ist eine Draufsicht einer mehrpoligen Kondensatorstruktur 400b gemäß einigen Ausführungsformen. Es ist zu beachten, dass die mehrpolige Kondensatorstruktur 400b dieselben oder ähnliche Komponenten wie die in 4A gezeigte mehrpolige Kondensatorstruktur 400a aufweisen kann, und der Einfachheit halber werden diese Komponenten nicht nochmals näher erörtert.
  • Bei einigen Ausführungsformen sind ein erster positiver Anschluss, ein zweiter positiver Anschluss, ein dritter positiver Anschluss und vierter positiver Anschluss, der mit V4 bezeichnet werden kann, gleich. Bei einigen Ausführungsformen sind ein erster Erdanschluss, ein zweiter Erdanschluss, ein dritter Erdanschluss und vierter Erdanschluss, der mit G4 bezeichnet werden kann, gleich. Zwei benachbarte mehrpolige Kondensatoren und deren Anschlüsse können nebeneinander angeordnet sein.
  • Wie in 4B gezeigt ist, können der erste positive Anschluss, der zweite positive Anschluss, der dritte positive Anschluss und der vierte positive Anschluss V4 entlang einer ersten Linie angeordnet werden, und der erste Erdanschluss, der zweite Erdanschluss, der dritte Erdanschluss und der vierte Erdanschluss G4 können entlang einer zweiten Linie angeordnet werden. Die erste Linie kann im Wesentlichen parallel zu der zweiten Linie sein.
  • Eine konzeptionelle Darstellung von sechs der Anschlüsse der mehrpoligen Kondensatorstruktur 400b gemäß einigen Ausführungsformen ist in 5B gezeigt. Der erste positive Anschluss, der zweite positive Anschluss und der dritte positive Anschluss V4 können elektrisch miteinander verbunden sein. Der erste Erdanschluss, der zweite Erdanschluss und der dritte Erdanschluss G4 können ebenfalls elektrisch miteinander verbunden sein. Das heißt, der erste mehrpolige Kondensator 401, der zweite mehrpolige Kondensator 402 und der dritte mehrpolige Kondensator 403 miteinander elektrisch verbunden sein.
  • 5C ist eine konzeptionelle Darstellung einer mehrpoligen Kondensatorstruktur gemäß einigen Ausführungsformen. Bei einer Ausführungsform weist der mehrpolige Kondensator einen ersten positiven Anschluss V1 und einen ersten Erdanschluss auf, der zweite mehrpolige Kondensator weist einen zweiten positiven Anschluss V2 und einen zweiten Erdanschluss auf, und der dritte mehrpolige Kondensator weist einen dritten positiven Anschluss V3 und einen dritten Erdanschluss auf. Der erste, der zweite und der dritte Erdanschluss können mit einer gemeinsamen Masse G5 elektrisch verbunden sein.
  • 6 ist eine Schnittansicht einer mehrpoligen Kondensatorstruktur 600 einer Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen. Es ist zu beachten, dass die mehrpolige Kondensatorstruktur 600 dieselben oder ähnliche Komponenten wie die in 2 gezeigte mehrpolige Kondensatorstruktur 206 aufweisen kann, und der Einfachheit halber werden diese Komponenten nicht nochmals näher erörtert.
  • Wie in 6 gezeigt ist, weist die mehrpolige Kondensatorstruktur 600 bei einigen Ausführungsformen ein Halbleitersubstrat 602 auf. Das Halbleitersubstrat 602 kann aus Silizium, Siliziumgermanium, Germanium, einem anderen geeigneten Halbleiter oder einer Kombination davon hergestellt werden. Es ist zu beachten, dass die in den Figuren gezeigte Konfiguration des Halbleitersubstrats 602 nur beispielhaft ist und die vorliegende Erfindung nicht beschränken soll. In und auf dem Halbleitersubstrat 602 kann jedes gewünschte Halbleiterelement hergestellt werden. Um die Darstellung zu vereinfachen, ist jedoch nur das ebene Halbleitersubstrat 602 dargestellt.
  • Wie in 6 gezeigt ist, weist die mehrpolige Kondensatorstruktur 600 bei einigen Ausführungsformen eine Isolierschicht 604 auf, die über dem Halbleitersubstrat 602 angeordnet ist. Die Isolierschicht 604 kann die Oberseite des Halbleitersubstrats 602 bedecken. Die Isolierschicht 604 kann aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, einem anderen geeigneten Isoliermaterial oder einer Kombination davon hergestellt werden.
  • Wie in 6 gezeigt ist, weist die mehrpolige Kondensatorstruktur 600 einen ersten mehrpoligen Kondensator 610a und einen zweiten mehrpoligen Kondensator 610b auf, die über der Isolierschicht 604 angeordnet sind. Die Isolierschicht 604 kann den ersten mehrpoligen Kondensator 610a und den zweiten Kondensator 610b gegen das Substrat 602 elektrisch isolieren. Dadurch können mehrere mehrpolige Kondensatoren so gruppiert werden, dass ein einziger Kondensator (d. h., die mehrpolige Kondensatorstruktur 600) entsteht, um eine Entkopplungskondensatorfunktion für unterschiedliche Stromdomänen bereitzustellen. Daher kann die belegte Fläche reduziert werden, und Kosten können eingespart werden. Außerdem kann die Entwurfsflexibilität verbessert werden, und die Leistung kann gesteigert werden.
  • Wie in 6 gezeigt ist, weisen bei einigen Ausführungsformen der erste mehrpolige Kondensator 610a und der zweite mehrpolige Kondensator 610b jeweils leitfähige Schichten 606, 608 und 616 auf. Die leitfähigen Schichten 606, 608 und 616 können aus einem Metall wie Kupfer, Wolfram oder dergleichen oder eine Kombination davon hergestellt werden. Der erste mehrpolige Kondensator 610a und der zweite mehrpolige Kondensator 610b weisen bei einigen Ausführungsformen jeweils Kondensatorzellen 612 zwischen den leitfähigen Schichten 606 und 608 sowie eine Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen 614 zwischen den leitfähigen Schichten 606 und 616 und den leitfähigen Schichten 608 und 616 auf. Die leitfähigen Durchkontaktierungen 614 können aus einem Metall wie Kupfer, Wolfram oder dergleichen oder eine Kombination davon hergestellt werden.
  • Wie in 6 gezeigt ist, weist bei einigen Ausführungsformen die mehrpolige Kondensatorstruktur 600 eine dielektrische Schicht 618 auf, die über der Isolierschicht 604 angeordnet ist und den ersten und den zweiten mehrpoligen Kondensator 610a und 610b umschließt. Der erste und der zweite mehrpolige Kondensator 610a und 610b können durch die dielektrische Schicht 618 beabstandet sein. Die dielektrische Schicht 618 kann aus organischen Materialien wie einem polymerbasierten Material, aus anorganischen Materialien wie Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxidnitrid oder dergleichen oder einer Kombination davon hergestellt werden.
  • Wie in 6 gezeigt ist, weisen bei einigen Ausführungsformen der erste und der zweite mehrpolige Kondensator 610a und 610b jeweils Anschlüsse 620 auf, die über den leitfähigen Schichten 616 angeordnet sind und mit diesen elektrisch verbunden sind. Die Anschlüsse 620 können von der dielektrischen Schicht 618 unbedeckt sein. Die Anschlüsse 620 können aus einem Metall wie Kupfer, Wolfram oder dergleichen oder eine Kombination davon hergestellt werden.
  • Die Anschlüsse 620 des ersten mehrpoligen Kondensators 610a können einen positiven Anschluss und einen Erdanschluss umfassen und können die Kondensatorzelle 612 mit einem Halbleiter-Die (wie etwa dem ersten Halbleiter-Die 110a von 2) elektrisch verbinden. Die Anschlüsse 620 des zweiten mehrpoligen Kondensators 610b können einen positiven Anschluss und einen Erdanschluss umfassen und können die Kondensatorzelle 612 mit einem weiteren Halbleiter-Die (wie etwa dem zweiten Halbleiter-Die 110b von 2) elektrisch verbinden.
  • In der vorliegenden Erfindung wird eine mehrpolige Kondensatorstruktur in einem Substrat verwendet. Die mehrpolige Kondensatorstruktur kann positive Anschlüsse und Erdanschlüsse für unterschiedliche Stromdomänen von unterschiedlichen Halbleiter-Dies aufweisen. Im Vergleich zur Verwendung von getrennten Kondensatoren, die auf der Die-Seite und/oder der Lötaugenseite angeordnet sind, können erfindungsgemäß die von den Kondensatoren belegte Fläche und deren Dicke reduziert werden. Dadurch kann die Entwurfsflexibilität erhöht werden, und der Entwurf kann einfacher sein. Außerdem kann die Leistung gesteigert werden. Darüber hinaus können auch der Ersatzserienwiderstand (ESR) und die Ersatzserieninduktivität (ESL) reduziert werden, um den ohmschen Spannungsabfall des Systems zu verringern.
  • Die Erfindung ist zwar anhand von Beispielen und bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, aber es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr soll die Erfindung für verschiedene Modifikationen und ähnliche Anordnungen (wie sie ein Fachmann erkennen dürfte) gelten. Daher soll der Schutzumfang der angefügten Ansprüche in Einklang mit der breitesten Auslegung stehen, sodass er alle diese Modifikationen und ähnlichen Anordnungen umfasst.

Claims (20)

  1. Halbleiterstruktur mit: einem Substrat, das eine Verdrahtungsstruktur aufweist; einem ersten Halbleiter-Die und einem zweiten Halbleiter-Die, die über dem Substrat angeordnet sind; und einer mehrpoligen Kondensatorstruktur, die in das Substrat eingebettet ist und Folgendes aufweist: einen ersten positiven Anschluss und einen ersten Erdanschluss, die über die Verdrahtungsstruktur mit dem ersten Halbleiter-Die elektrisch verbunden sind, und einen zweiten positiven Anschluss und einen zweiten Erdanschluss, die über die Verdrahtungsstruktur mit dem zweiten Halbleiter-Die elektrisch verbunden sind.
  2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die mehrpolige Kondensatorstruktur Folgendes aufweist: einen ersten mehrpoligen Kondensator mit dem ersten positiven Anschluss und dem ersten Erdanschluss; und einen zweiten mehrpoligen Kondensator mit dem zweiten positiven Anschluss und dem zweiten Erdanschluss.
  3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehrpolige Kondensatorstruktur weiterhin Folgendes aufweist: ein Halbleitersubstrat; und eine Isolierschicht, die über dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, wobei der erste und der zweite mehrpolige Kondensator über der Isolierschicht angeordnet sind und gegen das Halbleitersubstrat elektrisch isoliert sind.
  4. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehrpolige Kondensatorstruktur in einem Kern des Substrats angeordnet ist.
  5. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdrahtungsstruktur eine erste leitfähige Schicht und eine Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen aufweist, und die mehrpolige Kondensatorstruktur im Wesentlichen mit der ersten leitfähigen Schicht ausgerichtet ist und über die Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen mit dem ersten und/oder dem zweiten Halbleiter-Die elektrisch verbunden ist.
  6. Halbleiterstruktur nach Anspruch 5, wobei die Verdrahtungsstruktur weiterhin eine zweite leitfähige Schicht aufweist, die über der mehrpoligen Kondensatorstruktur angeordnet ist und die mehrpolige Kondensatorstruktur mit dem ersten und/oder dem zweiten Halbleiter-Die elektrisch verbindet.
  7. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite positive Anschluss entlang einer ersten Linie angeordnet sind und der erste und der zweite Erdanschluss entlang einer zweiten Linie angeordnet sind, wobei die erste Linie im Wesentlichen parallel zu der zweiten Linie ist.
  8. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste positive Anschluss und der zweite Erdanschluss entlang einer ersten Linie angeordnet sind und der erste Erdanschluss und der zweite positive Anschluss entlang einer zweiten Linie angeordnet sind, wobei die erste Linie im Wesentlichen parallel zu der zweiten Linie ist.
  9. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Erdanschluss mit einer gemeinsamen Masse elektrisch verbunden sind.
  10. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Erdanschluss mit dem zweiten Erdanschluss elektrisch verbunden ist.
  11. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste positive Anschluss mit dem zweiten positiven Anschluss elektrisch verbunden ist.
  12. Halbleiterstruktur mit: einem Substrat; einer Packagestruktur, die über dem Substrat angeordnet ist und einen ersten Halbleiter-Die mit einer ersten Stromdomäne und einen zweiten Halbleiter-Die mit einer zweiten Stromdomäne aufweist, die von der ersten Stromdomäne verschieden ist; und einer mehrpoligen Kondensatorstruktur, die in das Substrat eingebettet ist und Folgendes aufweist: einen ersten mehrpoligen Kondensator mit einem ersten positiven Anschluss und einem ersten Erdanschluss, die mit der ersten Stromdomäne elektrisch verbunden sind, und einen zweiten mehrpoligen Kondensator mit einem zweiten positiven Anschluss und einem zweiten Erdanschluss, die mit der zweiten Stromdomäne elektrisch verbunden sind.
  13. Halbleiterstruktur nach Anspruch 12, wobei die mehrpolige Kondensatorstruktur in einem Kern des Substrats angeordnet ist.
  14. Halbleiterstruktur nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Substrat Folgendes aufweist: eine leitfähige Schicht, die im Wesentlichen mit der mehrpoligen Kondensatorstruktur ausgerichtet ist; und eine Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen, die den ersten mehrpoligen Kondensator und den zweiten mehrpoligen Kondensator mit dem ersten Halbleiter-Die bzw. dem zweiten Halbleiter-Die elektrisch verbinden.
  15. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die mehrpolige Kondensatorstruktur weiterhin Folgendes aufweist: ein Halbleitersubstrat; und eine Isolierschicht, die über dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, wobei der erste und der zweite mehrpolige Kondensator über der Isolierschicht angeordnet sind und gegen das Halbleitersubstrat elektrisch isoliert sind.
  16. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die mehrpolige Kondensatorstruktur weiterhin einen dritten mehrpoligen Kondensator mit einem dritten positiven Anschluss und einem dritten Erdanschluss aufweist, und der erste mehrpolige Kondensator, der zweite mehrpolige Kondensator und der dritte mehrpolige Kondensator elektrisch gegeneinander isoliert sind.
  17. Halbleiterstruktur nach Anspruch 16, wobei der erste, der zweite und der dritte positive Anschluss entlang einer ersten Linie angeordnet sind und der erste, der zweite und der dritte Erdanschluss entlang einer zweiten Linie angeordnet sind.
  18. Halbleiterstruktur nach Anspruch 16, wobei der erste positive Anschluss, der zweite Erdanschluss und der dritte positive Anschluss entlang einer ersten Linie angeordnet sind und der erste Erdanschluss, der zweite positive Anschluss und der dritte Erdanschluss entlang einer zweiten Linie angeordnet sind.
  19. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 12 bis 18, die weiterhin eine gedruckte Leiterplatte aufweist, die unter dem Substrat angeordnet ist und mit diesem elektrisch verbunden ist.
  20. Halbleiterstruktur nach Anspruch 19, die weiterhin eine Mehrzahl von leitfähigen Strukturen aufweist, die zwischen der Packagestruktur und dem Substrat sowie zwischen dem Substrat und der gedruckten Leiterplatte angeordnet sind.
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